DE4004602A1

DE4004602A1 - METHOD FOR PRELIMINATING A SUBSTRATE

Info

Publication number: DE4004602A1
Application number: DE19904004602
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dipl Krokoszinski; Kurt Dipl Phys Dr Langer; Henning Dipl Phys Dr Oetzmann; Arno Dipl Phys Dr Neidig
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Germany; ABB IXYS Semiconductor GmbH; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB AG Germany; IXYS Semiconductor GmbH; ABB AB
Priority date: 1990-02-15
Filing date: 1990-02-15
Publication date: 1991-08-29
Also published as: WO1991012634A1

Abstract

The invention proposes a process for pre-soldering metal or metallised substrates using a flow-soldering installation in which the substrate is covered with a foil mask consisting preferably of a magnetic material, which adheres by magnetic attraction to the substrate during the soldering process and is galvanically chromium plated to prevent its being wetted.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum struk turierten Vorbeloten eines metallischen oder metalli sierten Substrats.The invention relates to a method for structuring tured pre-soldering of a metallic or metalli based substrate.

Ein solches Verfahren kann beispielsweise verwendet wer den zum Vorbeloten von Substraten für die Herstellung von Leistungshalbleitermodulen.Such a method can be used, for example, by anyone for pre-soldering substrates for manufacturing of power semiconductor modules.

Leistungshalbleitermodule in Löttechnik - im Gegensatz zu druckkontaktierten Modulen - werden hergestellt durch Anordnung von Halbleiterchips, Anschlußlaschen und ggf. weiterer Bauteile auf einem metallischen oder struktu riert metallisierten Substrat und durch Verlöten dieser Teile. Die Lötverbindung hat in solchen Leistungshalb leitermodulen eine große Bedeutung, da die Wärmeabfuhr aus den Halbleiterchips über den Lötkontakt erfolgt. Das bedeutet, daß die Lötverbindung über die gesamte Chip fläche einen gleichmäßig guten thermischen Kontakt her stellen muß und dies auch langfristig, also nach vielen Lastwechseln. Einen solchen guten Wärmekontakt kann man mit reinen Loten ohne Flußmittel erreichen. Man muß dazu Lotplättchen zusammen mit den zu verbindenen Teilen in sogenannte Lötformen einlegen, um die Teile während des Lötprozesses zu fixieren. Die Lötung erfolgt im Lötofen unter Schutzgas. Nachteilig ist dabei, daß Oxidhäute und Verunreinigungen auf den Lotplättchen zu Lunkern in der Lötverbindung führen können.Power semiconductor modules in soldering technology - in contrast to pressure-contacted modules - are manufactured by Arrangement of semiconductor chips, connecting lugs and possibly other components on a metallic or structure metalized substrate and by soldering it Parts. The solder connection has such power half conductor modules are of great importance because of the heat dissipation from the semiconductor chips via the solder contact. The means that the solder joint is all over the chip evenly good thermal contact has to pose and this also in the long term, i.e. after many Load changes. You can have such good thermal contact reach with pure solders without flux. You have to Solder plate together with the parts to be connected in insert so-called soldering molds to the parts during the To fix the soldering process. The soldering takes place in the soldering furnace under protective gas. The disadvantage here is that oxide skins and Contamination on the solder platelets to blowholes in the Can lead solder connection.

Um eine flexiblere und automatisierbare Fertigung von Leistungshalbleitermodulen zu ermöglichen, wäre es wün schenswert, mit vorbeloteten Substraten zu arbeiten. Man könnte dann vom Modultyp abhängige Lötformen vermeiden und auf Lotplättchen verzichten. Vorbelotete Substrate können z. B. mit Hilfe von automatischen Die-Bondern mit Halbleiterchips bestückt werden.To make production of It would be great to enable power semiconductor modules worth working with pre-soldered substrates. Man could then avoid soldering depending on the module type and do without soldering pads. Pre-soldered substrates can e.g. B. with the help of automatic die bonders Semiconductor chips are populated.

Aus der Hybridtechnik sind verschiedene Techniken zur Durchführung einer strukturierten Vorbelotung von Sub straten bekannt, welche aber nicht zufriedenstellend sind für die vorgesehene Anwendung. So ist beispielswei se das übliche Siebdruckverfahren unter Verwendung einer Lotpaste nicht geeignet, weil die Lotpaste Flußmittel enthält und weil nur eine begrenzte Auswahl von Lotle gierungen zur Verfügung steht. Nach dem Siebdruckverfah ren vorbelotete Substrate wären nicht geeignet für Lei stungshalbleitermodule mit ausreichend guten und repro duzierbar guten Lötverbindungen und damit auch guten Wärmekontakten, da in den bei Leistungshalbleitern typi schen großflächigen Lötverbindungen Flußmittelreste ein geschlossen werden können, die damit selbst Ursache von Lunkern werden. Außerdem sind aufwendige Reinigungspro zesse notwendig, um Flußmittelreste zu entfernen.Various techniques are used in hybrid technology Implementation of a structured preliminary assessment of Sub known, but not satisfactory are for the intended application. For example se the usual screen printing process using a Solder paste not suitable because the solder paste is flux contains and because only a limited selection of Lotle Alloys is available. After the screen printing process Ren pre-soldered substrates would not be suitable for Lei power semiconductor modules with sufficient good and repro good solder connections and thus also good ones Thermal contacts, as in the typical for power semiconductors large-area soldered connections can be concluded, the cause of Be blow holes. In addition, complex cleaning pro necessary to remove flux residues.

Eine Substratbelotung kann auch mit Hilfe des bekannten Wellenlötens erreicht werden. Diese in der Elektronik- Fertigung angewandte Wellenlötung ist beispielsweise in R.J. Klein Wassink, "Weichlöten in der Elektronik", Eu gen G. Leutze-Verlag, 1986, Seite 314 bis 328 beschrie ben. Da jedoch nur ausgewählte Flächen auf dem Substrat belotet werden sollen, ist eine Maskierung erforderlich. Eine solche Maskierung kann mit Hilfe von sogenannten Lötstoplacken erreicht werden. Es hat sich allerdings gezeigt, daß die üblichen Lötstoplacke reaktiven Gasen und Löttemperaturen von 280°C bis 380°C nicht standhal ten. Außerdem ist nach dem Beloten ein Reinigungsprozeß erforderlich, der aufwendig und umweltbelastend ist.Substrate brazing can also be carried out using the known Wave soldering can be achieved. This in electronics Manufacturing applied wave soldering is for example in R.J. Klein Wassink, "Soft soldering in electronics", Eu to G. Leutze-Verlag, 1986, pages 314 to 328 ben. However, since only selected areas on the substrate Masking is required to be soldered. Such masking can be done with the help of so-called Solder resist can be achieved. However, it did shown that the usual solder resist reactive gases and soldering temperatures of 280 ° C to 380 ° C not stable There is also a cleaning process after soldering required, which is complex and polluting.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun de, ein Verfahren zum strukturierten Vorbeloten von me tallischen oder metallisierten Substraten vorzuschlagen, das die Nachteile bekannter Verfahren vermeidet.Proceeding from this, the invention is based on the object de, a procedure for the structured pre-soldering of me propose metallic or metallized substrates, that avoids the disadvantages of known methods.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum strukturier ten Vorbeloten eines metallischen oder metallisierten Substrats gelöst, wobei die zu belotende Substratseite mit einer Folienmaske und die so maskierte Seite des Substrats in einer Wellenlötanlage mit Lot benetzt wird.This task is structured by a method pre-soldering of a metallic or metallized Solved substrate, the substrate side to be soldered with a foil mask and the masked side of the Substrate is wetted with solder in a wave soldering system.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments are in the subclaims specified.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß be liebige Lote verwendet werden können und nicht zu belo tende Flächen des Substrats unbeschichtet bleiben. Die Folienmaske kann grundsätzlich aus verschiedenen tempe raturbeständigen Materialien, wie z. B. Metall, herge stellt werden und die Folienmaske kann auch auf ver schiedene Weise an das Substrat angedrückt werden. Fo lienmasken haben den wesentlichen Vorteil, daß sie wie derverwendbar sind. Bevorzugt wird eine nachstehend in einem Ausführungsbeispiel beschriebene ferro-magnetische Folienmaske verwendet, welche durch Magnete an das Sub strat angezogen wird.The inventive method has the advantage that be lovely solders can be used and not too belo surfaces of the substrate remain uncoated. The Foil mask can basically be of different tempe ratur resistant materials such. B. metal, herge can be set and the film mask can also on ver can be pressed onto the substrate in different ways. Fo Line masks have the main advantage that they are like which are usable. One is preferred below in an embodiment described ferro-magnetic Foil mask used, which is attached to the sub strat is attracted.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend anhand einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens näher erläutert.The method according to the invention is described below an arrangement for performing the method closer explained.

In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine Anordnung zur Durch führung des Vorbelotungsverfahrens und Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Folienmaske.In the drawing, Fig. 1 shows an arrangement for carrying out the preliminary soldering process and Fig. 2 is a plan view of a film mask.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Anordnung zum Vorbeloten eines Substrats 1, hier eines beidseitig mit einer Kup ferschicht 2 metallisierten Keramiksubstrats. Das Sub strat 1 ist in eine Vertiefung 3 in einer Subtrathalte rung 4 eingesetzt. Die Substrathalterung 4 ist Teil ei ner Wellenlötanlage und wird in der angegebenen Pfeil richtung über eine Lotwelle 5 bewegt. Durch einen Pfeil in der Lotwelle 5 ist angedeutet, daß sich das Lotmate rial in entgegengesetzter Richtung zur Substrathalterung 4 bewegt. Fig. 1 shows schematically an arrangement for pre-soldering a substrate 1 , here one on both sides with a copper ferschicht 2 metallized ceramic substrate. The sub strate 1 is inserted into a recess 3 in a subtrate holder 4 . The substrate holder 4 is part of a wave soldering system and is moved in the direction indicated by a solder wave 5 . An arrow in the solder wave 5 indicates that the solder material rial moves in the opposite direction to the substrate holder 4 .

Das Substrat 1 und die Substrathalterung 4 ist auf sei ner unteren, der Lotwelle 5 zugewandten Seite mit einer Folienmaske 6 abgedeckt. Eine solche Folienmaske 6, wel che Öffnungen 7 aufweist, ist in Fig. 2 dargestellt. Die Folienmaske 6 besteht aus einem ferro-magnetischen Mate rial, z. B. einer Ni-Fe-Legierung oder aus Reineisen, und ist etwa 50 bis 300 µm dick. Die Curie-Temperatur der Legierung muß deutlich über der Löttemperatur liegen. Es zeigte sich in Versuchen, daß beim Löten mit eutekti schem PbSn-Lot eine FeNi-Legierung ausreicht. Die Fo lienmaske 6 wird durch Magnetkräfte ganzflächig an das Substrat bzw. die Substrathalterung 4 angezogen, wobei die Magnetkräfte von Magneten 8, z. B. Dauermagneten oder Elektromagneten, aufgebracht werden. Die Maske 6 kann einfach und flexibel durch Ätzen erzeugt werden. Sie kann auch aus Invar hergestellt werden. Sie ist mit ei nem Material beschichtet, welches das Benetzen der Maske mit Lot verhindert. Dies kann z. B. durch Verchromen er zielt werden, was sich in Versuchen als vorteilhaft be stätigte. Das bei Kontakt mit Luft entstehende Chrom(-III)-oxid erwies sich als dichte haftfeste Maskierung.The substrate 1 and the substrate holder 4 is covered with a foil mask 6 on its lower side facing the solder wave 5 . Such a film mask 6 , which has che openings 7 , is shown in FIG. 2. The film mask 6 consists of a ferro-magnetic mate rial, for. B. a Ni-Fe alloy or pure iron, and is about 50 to 300 microns thick. The alloy's Curie temperature must be well above the soldering temperature. Experiments have shown that an FeNi alloy is sufficient for soldering with eutectic PbSn solder. The foil mask 6 is attracted to the entire surface by magnetic forces to the substrate or the substrate holder 4 , the magnetic forces of magnets 8 , for. B. permanent magnets or electromagnets are applied. The mask 6 can be produced simply and flexibly by etching. It can also be made from Invar. It is coated with a material that prevents wetting of the mask with solder. This can e.g. B. by chrome plating he aims, which has been confirmed in experiments to be advantageous. The chromium (-III) oxide formed on contact with air proved to be a tight, adhesive mask.

Zur Durchführung der Belotung wird die Substrathalterung 4 mit dem maskierten Substrat 1 in der Wellenlötanlage über die Lotwelle 5 geführt, wobei die Metallisierung 2 des Substrats 1 an den durch die Öffnungen 7 in der Mas ke 6 festgelegten Flächen mit Lot benetzt wird. Die Be lotung erfolgt flußmittelfrei in einer Schutzgasatmo sphäre. Die Wellenlötanlage ist entsprechend ausgestal tet. In Versuchen konnte nachgewiesen werden, daß eine durch Dauermagnete an metallisierte Substrate angepreß te, verchromte NiFe-Folie eine ausgezeichnete Maskier wirkung zeigte. Das verwendete eutektische PbSn-Lot drang nicht in den engen Spalt zwischen Folie und Sub strat. Selbst Abstände von der Größenordnung 1 mm zwi schen einzelnen Lotflecken konnten so realisiert werden. Die Lotdicken lagen im Bereich zehntel mm und konnten durch Lotwellentemperatur, Substrattemperatur und Durch laufgeschwindigkeit eingestellt werden. Nach Beendigung des Lötvorganges kann die Lötmaskenfolie einfach vom Substrat abgezogen werden und für den nächsten Lötdurch gang wiederverwendet werden. Als Dauermagnete kommen z. B. hartmagnetische Legierungen auf der Basis Kobalt- Samarium in Frage.To carry out the soldering, the substrate holder 4 with the masked substrate 1 is guided in the wave soldering system via the solder wave 5 , the metallization 2 of the substrate 1 being wetted with solder at the areas defined by the openings 7 in the mask 6 . The soldering takes place without flux in a protective gas atmosphere. The wave soldering system is designed accordingly. Experiments have shown that a chromium-plated NiFe film pressed onto metalized substrates by permanent magnets showed an excellent masking effect. The eutectic PbSn solder used did not penetrate into the narrow gap between the film and the substrate. Even distances of the order of 1 mm between individual solder spots could be realized in this way. The solder thicknesses were in the range of tenths of a millimeter and could be adjusted by means of solder wave temperature, substrate temperature and throughput speed. After completing the soldering process, the solder mask film can simply be removed from the substrate and reused for the next soldering pass. As permanent magnets come e.g. B. hard magnetic alloys based on cobalt samarium in question.

Eine vorteilhafte Alternative zum Anpressen der Masken folie ist es, anstelle magnetischer Kräfte den Bimetall effekt zu nutzen. Eine Folie aus NiFe-Legierung kann auf ihrer dem Substrat zugewendeten Seite mit einem Metall oder einer Legierung mit höherem thermischem Ausdeh nungskoeffizienten beschichtet sein. Dies kann bei spielsweise durch Aufwalzen geschehen. Bei der Auswahl der Legierung sollte jedoch darauf geachtet werden, daß die Folien eine federelastische Eigenschaft auch nach mehrmaligen Ofendurchläufen behalten. Bei der Löttempe ratur preßt sich die Maske auf Grund des Bimetalleffek tes an das Substrat an, während sie bei Raumtemperatur beim Abtrennen von Substrat eben ist.An advantageous alternative to pressing on the masks it is foil, instead of magnetic forces the bimetal to use effect. A foil made of NiFe alloy can be used their side facing the substrate with a metal or an alloy with higher thermal expansion Coating coefficient be coated. This can happen with for example done by rolling. In selecting However, the alloy should take care that the foils also have a resilient property keep repeated oven runs. At the soldering temperature The mask presses itself due to the bimetal effect tes to the substrate while at room temperature when removing substrate is flat.

Zur Verbesserung der Benetzung kann die Wellenlötanlage durch eine Ultraschallanlage ergänzt sein - was beim Löten von nicht mit Edelmetall beschichteten Oberflä chen, z. B. von chemisch vernickelten Substraten, nütz lich sein kann, oder auch durch eine Einrichtung zum Vorbeheizen des Substrats. Solche Ergänzungen können je nach der Art des benutzten Substrats zweckmäßig sein.The wave soldering system can improve the wetting be supplemented by an ultrasound system - what with Soldering of surfaces not coated with precious metal chen, e.g. B. of chemically nickel-plated substrates, useful Lich, or by a facility for Preheat the substrate. Such additions can ever be appropriate according to the type of substrate used.

Claims

1. A method for structured pre-soldering of a metallic or metallized substrate, characterized in that the substrate side to be soldered is wetted with solder in a wave soldering system with a foil mask and the side of the substrate so masked.

2. The method according to claim 1, characterized in net that the pre-soldering in a protective gas atmosphere he follows.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized ge indicates that the film mask is under a Applies force to the substrate and there during of the soldering process is liable.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the substrate in a first Step inserted into a substrate holder, then there covered with the foil mask and then over the Solder wave of the wave soldering system is guided.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a film mask from a ferro-magnetic material is used and this Foil mask by permanent magnets or electromagnets is held, which on the other side of the substrate be ordered.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the substrate in front of the Belo preheating process.

7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the wetting with the help of egg ner additional ultrasound device supported becomes.

8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the film mask with a Material, e.g. As chrome, is coated, which is a Be prevents the film mask from wetting.

9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a film mask with a Thickness in the range of 50 to 300 microns is used.

10. The method according to any one of the preceding claims che, characterized in that the film mask Invar manufactured and electroplated.

11. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that a film mask made of bime tall is used, the ela at soldering temperature presses against the substrate.